随着我国经济的快速发展，国家建设对资源需求量的快速增加和资源供需矛盾的进一步扩大，地质深部找矿工作将是未来找矿的发展趋势，但是随着找矿深度增加，地质岩层也越来越复杂，特别是在钻孔时遇到坚硬致密岩石地层，钻进时效特别低，平均只有0.3-0.4m/h，这样就明显降低了钻进速度，甚至还会出现跑孔的孔内事故，大大地提高了钻探成本。这就需要我们急需解决这类岩石钻进问题，提高钻进速度和钻孔质量。坚硬致密性岩层具有以下几个特点：
1,岩石硬度大，石英含量高。
2.岩石强度高，造岩矿物细，岩石硅化程度高；
3.岩石研磨性弱[1]。
由于岩石硬，钻进时金刚石压人岩石阻力大，每颗金刚石很难有效切入岩石，不能对岩石产生微体积方式破碎，一般都以磨削的方式破碎或疲劳方式破碎岩石。因此，产生的岩粉少，岩粉粒度极细，不能对胎体产生有效的磨损，金刚石很难出刃，造成金刚石钻头钻进效率极低，甚至会出现“打滑”现象，即金刚石钻头在钻进时，钻进效率极低或者出现不钻进现象。解决这类岩石钻进有利于提高钻探效率，降低钻探成本，因此我们针对钻进坚硬致密性岩层的金刚石钻头提出了几种改进的方法，以满足地质勘探特别是深部勘探的需要。
金刚石钻头胎体设计
钻进坚硬致密性岩层时，钻进失效低，产生的岩粉细而且含量少，不利于胎体的磨损，金刚石难以出刃。因此在设计这类钻头时，为了加快金刚石钻头胎体的磨损，一般采用低硬度，低耐磨性胎体材料，一般设计为hrc 5-10软胎体材料，但是在采用软胎体材料后，由于胎体材料硬度低，极易磨损，金刚石容易脱落，能够让钻头上的金刚石及时的更新，金刚石钻头能够以比较高的钻进速度钻进，但是在钻进过程中，这类钻头表现寿命短，因此单纯地降低金刚石钻头胎体硬度和耐磨性无法很大程度上解决钻进致密岩石的问题。
采用辅料弱化胎体设计[2]，从而降低胎体耐磨性，辅料弱化的原理就是对胎体进行造孔处理，使金刚石钻头唇面在磨削过程中不断地出现孔洞。这些孔洞出现大大地加速了金刚石脱落，使钻头表面金刚石不断地更新，从而提高了金刚石出刃效果，提高了金刚石钻头钻进效率。通过不断试验与研究，我们选择石墨材料作为弱化胎体的材料，石墨材料它具有几个优点：石墨硬度低，具有一定的脆性且不与胎体材料发生反应，石墨还可以显著降低磨削力，磨削比能和界面温度（下降幅度最大达400°c）。鉴于石墨上述的优点，我们试制了3个实验钻头和一个空白对照钻头，在金刚石钻头胎体中分别添加2%，4%，6%（质量比）含量石墨，分别拿到某工地进行试验，试验地层为坚硬致密石英岩，研磨性差，可钻级别达10-12级。试验结果如表1。
从表1中可以看出，添加石墨含量≤6%，金刚石钻头钻进速度均有提高，但是当含量达到6%时，金刚石钻头寿命迅速下降，可能与金刚石钻头胎体耐磨性迅速下降有关，当添加4%含量石墨时，金刚石钻头不但进尺速度提高了，寿命也有了大幅提高。通过上述实验结果分析，在胎体中添加石墨弱化材料，有利于金刚石钻头在坚硬致密岩层中的钻进，从而提高金刚石钻头在这类岩石钻进中的效率。
优选金刚石参数设计
(1)金刚石品级设计
对于钻进硬而致密岩石地层，我们一般设计是在工作层中分别加入主，辅两种磨料，由于坚硬致密岩层具有极高的压人硬度，每颗参与切削破岩的金刚石都处于较高的压力下，这就要求金刚石必须具有高的抗压强度，才能保证金刚石钻头顺利破碎岩石，因此主磨料应采用高品质金刚石，为碎岩的主要磨料。而辅磨料主要起次碎岩作用，采用低品质金刚石，在钻进过程中辅磨料不断地被压碎与脱落，脱落的辅磨料进入孔底，磨损金刚石钻头胎体，从而使主磨料不断地出刃，实现钻头自锐，提高了地质钻头在坚硬致密地层适应性。
(2)金刚石浓度设计
在钻进硬而致密岩层地层时，金刚石的浓度不能太高，一般设计40%-50%。其目的是在钻压有限的条件下，保证每颗金刚石能传递足够的压力有效切入岩石，采用低浓度金刚石可以增加单粒金刚石上的压力，从而增加了金刚石压人硬岩的能力，提高了金刚石钻头破岩的效率。
(3)金刚石粒度设计
金刚石粒度采用细粒度金刚石，一般选择50/60与60/70两种混合粒度，由于同级别的金刚石抗磨损能力差不多，细金刚石被磨损后，容易从胎体中剥离下来，从而使切削的金刚石不断地自我更新。
胎体结构设计
(1)设计的基本方法
在金刚石岩芯钻探施工中，对于硬而致密地层，其金刚石钻头使用一般自锐性差，寿命短，有时甚至金刚石钻头会出现打滑现象，造成无法钻进。如何设计金刚石胎体块结构，从而能够使金刚石钻头在硬岩地层中钻进即能有比较好的时效性，又有较长的寿命，这是整个地质勘探行业一直追求的目标，也是一个困扰地勘行业的难题。以往设计胎体唇面采用同心圆尖齿形状，这种同心圆尖齿钻头齿高3mm左右，在钻进初期使用效果好，时效高，但是一旦这种尖齿被磨平，就等同于平底钻头，其钻进时效就会大幅度下降。针对这种情况，我们进行了大量研究与分析，试制了层状自锐式金刚石钻头，这种金刚石钻头优点是在于能够从始至终保持同心圆尖齿形[3]，直至金刚石钻头全部消耗完，因而这种钻头在硬岩中钻进能够一直保持高的时效性，具有较高的寿命，能够自始至终的发挥它的优越性。 层状自锐式金刚石钻头跟普通钻头有很大的不同，这种钻头的胎体块是分层组成的，由尖齿形成层和沟槽形成层两部分组成，其尖齿形成层是含有金刚石的耐磨性好的胎体材料，是破碎岩石的主要力量，而沟槽形成层是不含或者含极低金刚石的耐磨性差的胎体材料组成，起着辅助破碎岩石的作用，沟槽形成层设计的厚度一般为1.0-1.5mm左右。这种金刚石钻头随着胎体磨损，其沟槽形成层比尖齿形成层磨损速度快，使得金刚石钻头唇面自动形成同心圆尖齿环。
(2)制作的基本工艺
层状自锐式金刚石钻头制作的工艺最大难点在于装模设计，由于胎体块是由成分不同的层状刀头块组成，因此整个装模工艺我们先采用冷压成型工艺预制出刀头块，然后再进行分层装模，装模完后在中频感应机上进行烧结，烧结温度一般为950℃，压力100kg/cm2，保温时间5分钟。
(3)野外试验
试验单位为江西某矿区，其地层可钻级别为10-12级岩层，研磨性弱，普通钻头在该地层使用时，进尺慢且寿命短，钻头钻进一段时间后就会出现打滑现象，采用层状自锐式金刚石钻头后，其进尺速度有了较明显提高，也不需要进行孔底投砂来磨钻头了，大大减轻了工人劳动强度，节省了钻探时间，钻头寿命也得到了大幅提高。
结论
（1）通过改变金刚石品质，浓度和粒度设计，可以优化金刚石钻头的性能，从而使这种金刚石钻头在坚硬致密地层钻进过程中表现更强适应性。
（2）采用石墨辅料弱化胎体设计，可以降低胎体耐磨性，使金刚石钻头唇面在磨削过程中不断地出现孔洞。这些孔洞出现大大地加速了金刚石脱落，从而提高了金刚石出刃效果，提高了金刚石钻头钻进效率。
（3）胎体结构设计为层状自锐式，对于坚硬致密的地层具有很好的适应性，在钻进过程中金刚石钻头钻进效率和寿命都有很大的提高，但是这种钻头在制作过程中工艺复杂，制造成本高，大幅推广还有待研究。